1931年东北，战云密布。根据不平等条约，日军在满铁铁路线可以驻军，有着不可撼动的权力。关东军的势力遍布沈阳，他们企图通过沈阳，继而将触角伸向整个中国。在沈阳这个焦点区域，各方势力云集，一时间风起云涌。

中共满洲省委因为叛徒出卖，党组织暴露，牺牲巨大，斗争陷入低潮。沈阳街头，地下党员刘沛(谭凯 饰)在张贴传单时被日本宪兵逮捕，他准备束手就擒。这时，宋烟桥(张鲁一 饰)在滂沱大雨中巡查，刚好遇上他们，宋烟桥要求带走刘沛，因为所处的位置已经离开了满铁的势力范围。

日本宪兵要求向上级请示，很快日本宪兵就发现电话线被暗中切断，宋烟桥眼疾手快，果断开枪击毙了两名宪兵。与此同时，军警们得知南关教堂是中共地下党的秘密，直接大举出动前往搜捕。在教堂中横烟(郭秋成 饰)被乔装成教父的交通员诱骗反关在屋内，交通员趁机离开，不料在后门遇到了看守后门的岸谷，交通员摆脱了岸谷，再次遇到了横烟的拦截。

两人经过一番激烈的搏斗，交通员眼看就要被捕，就准备吞下情报自杀，却被横烟残忍地从嘴里掏了出来。他想接着逼问颜红光(潘泰名 饰)和共产党的关系，可是交通员已经死掉，不禁暴跳如雷。宋烟桥到刘沛家中做客，刘沛告诉他因为地下党组织遭到极大破坏，整个沈阳地下党几乎陷入瘫痪。

同时刘沛告诉宋烟桥神秘的颜红光这半年来在沈阳闹出了很大的动静，别人都以为他是共产党地下党，可是经过调查组织内却查无此人。根据他的推测，老王因为联络上了颜红光，过于激动，违反了发报规定，才暴露被捕。接着刘沛传达了党组织的电文，要求立刻找到颜红光，最好能让他为共产党所用。

地下党员舒婕(佟丽娅 饰)像往常一样来到教堂祈祷，她一眼就认出教堂里的神父居然就是当年枪杀学生日本军警特务横烟，就立刻悄悄离开前去通知刘沛。舒婕告诉刘沛在南关教堂横烟假扮成神父，周围特务布控，因此断定这肯定是一个圈套。

为了保密，刘沛要求她无论听到什么消息都不要再来自己家里进行联络，如果需要自己会派人联络她，并告诉她新的联络暗号，一块定过时间的怀表。刘沛叮嘱了妻子一番后，亲自前往南关教堂一趟。刘沛步入了教堂，仔细地观察着四周，他突然拔出手枪准备向横烟开枪，不料他在抢关键时刻哑火，刘沛被背后冲出的岸谷开枪击中。

横烟急于得到情报，急忙上去追问刘沛的上级是谁，刘沛突然翻身死死地掐住横烟的脖子。背后的岸谷再次开抢，刘沛终于死于非命。原来刘沛一时无法联络到宋烟桥，只能通过牺牲自己的方式来提醒宋烟桥，南关这个联络点已经暴露。

宋烟桥立刻来到了刘沛的家中，他通知了刘沛妻子刘沛被枪杀的噩耗，然后带上她和孩子撤离了家中。随后宋烟桥得知今天自己走后，有一个神秘女子曾经来过刘沛家中就心生警惕，立刻追问，但是刘沛的妻子显然是一问三不知。

刘沛的妻子突然想起了刘沛的出门前的嘱托，就把一张卡片和怀表交到了宋烟桥的手上。宋烟桥直接来找到了舒婕，借口说让对方帮助自己抄写一份英文文件。舒婕很快就识破了宋烟桥的身份，并拔出了手枪。宋烟桥只好告诉她在自己的左手手腕上有一块腕表，舒婕看到了腕表立刻知道他就是刘沛派来联络自己的。

得知刘沛已经牺牲，舒婕心情异常沉重。因为舒婕提到自己完全是凭借着个人推测，判断出南关教堂是联络点，并且已经暴露，这立刻引起了宋烟桥的高度怀疑。但是经过舒婕的一番解释，他很快释怀。两人重新认识后，宋烟桥以上级的身份告诫舒婕，近期不能擅自离开沈阳。

岸谷查了这几个月的案卷资料，分析了颜红光的作案习惯并且写了一份报告，请前辈横烟花点时间看他写的报告。横烟在得知岸谷也誊了一份给总署后，怒骂他这么干会倒霉的。总署看了岸谷的报告，奉天特务机关机关长土肥原(任正斌 饰)大佐因此找到了岸谷，说要给他安排一份新的工作。